Исследование и совершенствование технологии изготовления воздушных фурм доменных печей нанесением алюмосодержащих газопламенных покрытий с последующей термообработкой

Воздушные фурмы доменных печей (рисунок 1) являются одним из важнейших элементов конструкции доменной печи, определяющих эффективность ее работывыход фурм из строя влечет за собой необходимость остановки печи для замены разрушенной фурмы. Простои печи по этой причине приводят к существенному снижению выплавки чугуна и увеличению расхода кокса.

Рисунок 1 — Воздушная доменная фурма (сварная): 1 — рыльная часть, 2 — наружный стакан, 3 — внутренний стакан, 4 — фланец, 5 — сварные швы, 6 — колено.

Основными причинами выхода воздушных фурм доменных печей из строя являются: прогар рыльной части, трещины по сварке и износ наружного стакана.

Прогар рыльной части воздушных фурм может произойти в любой момент времени эксплуатации при попадании на их поверхность жидкого чугуна. Доля замененных по прогару фурм составляет в среднем 70—75%. Износ наружного стакана является наиболее предсказуемой причиной замены фурм и возникает в зависимости от объема печи и условий ее работы через 3−6 месяцев их эксплуатации. Фурмы, находясь в зоне максимальных температур, подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов, приводящему к их износу.

Известно, что на воздушные фурмы приходится 30% всех тепловых потерь в печи /1/. При этом тепловые потери через поверхность фурмы распределяются следующим образом: 18% - рыльная часть, 36% - наружный стакан, 46% - внутренний стакан /2/.

Одним из путей устранения этих недостатков является создание поверхностных слоев с высокими эксплуатационными свойствами формированием защитных диффузионных покрытий. Это выгодно отличает данный метод от других /3/, когда на её поверхность наносят керамическое покрытие. Рациональным методом защиты меди при температурах до 800 °C признано алитирование.

Одним из методов алитирования является насыщение поверхности меди порошковыми смесями. Однако этот метод является сравнительно трудоемким и обладает низкой производительностью.

В настоящее время для создания диффузионных слоев на воздушных фурмах успешно применяется напыление покрытий методом электродуговой металлизации с последующей термообработкой. Полученный Си—А1 диффузионный слой на воздушных фурмах позволил исключить причину их замены по износу рыльной части со стороны дутьевого канала, повысить их стойкость по износу наружного стакана на 28%, по прогару рыльной части — на 14% и снизить тепловые потери через их поверхность на 2%.

Нанесение на рыльную часть с алюминиевым подслоем покрытий, содержащих не менее 80% никеля, позволило повысить стойкость по прогару опытных фурм на 30% по сравнению с серийными фурмами, напыленными только алюминиевым покрытием. При этом снижение тепловых потерь на отдельно взятых опытных фурмах составило 5% по сравнению с серийными фурмами, установленными на соседних фурменных приборах.

Для дальнейшего улучшения показателей работы воздушных фурм необходим поиск новых материалов. В связи с этим представляет интерес покрытие из порошка оксида алюминия, напыляемого газопламенным методом /4,5/. Однако такое покрытие отслаивается в процессе эксплуатации фурм из-за различных коэффициентов термического расширения А1203 и меди. В то жевремя сочетание его с алюминиевым покрытием и последующей термообработкой позволило бы получить материал на поверхности фурм с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Поэтому исследование и совершенствование технологии изготовления воздушных фурм доменных печей нанесением алюмосодержащих газопламенных покрытий с последующей термообработкой является актуальной научной и практической задачей.

В процессе выполнения работы получены результаты, научная новизна которых заключается в следующем.

1. Предложен новый вид защитного покрытия на воздушных фурмах доменных печей, состоящего из переходного и диффузионного слоев толщиной 1,5−3,5 мм с содержанием алюминия не более 14% по массе и слоя оксида алюминия.

2. Разработан научно обоснованный способ формирования такого покрытия газопламенным напылением на медь композиционного двухслойного А1/А1203 покрытия толщиной 0,6−1,0/0,2−0,3 мм с последующим диффузионным отжигом в окислительной среде при температуре 780−800°С или в защитной среде при температуре 900—980°С.

3. Определены значения параметра, пропорционального коэффициенту диффузии алюминия в медь, для системы «медь — двухслойное А1/А120з газопламенное покрытие» в интервале температуры 800−980 °С, позволяющего использовать предложенную методику для расчета толщины диффузионного слоя.

4. Показано, что диффузионный слой, полученный из двухслойного А1/А12Оз газопламенного покрытия на меди путем диффузионного отжига при температуре 800 °C в окислительной среде, имеет больше толщину на 25— 40%, тепловое сопротивление на 45−60%, жаростойкость и износостойкость на 25−35%, а коэффициент теплопроводности меньше на 15%, чем полученный из алюминиевого покрытия при тех же условиях.

5. Выявлен механизм образования диффузионного слоя в системе «медь — газопламенное покрытие, содержащее смеси Al и А12Оз», при диффузионном отжиге, согласно которому Cu-Al диффузионный слой образуется относительно первоначальной границы «медь — покрытие» со стороны покрытия из-за преимущественного проникновения атомов меди в алюминий, поскольку подвижность атомов алюминия снижается из—за присутствия А120з в покрытии, который не участвует в диффузии и вытесняется к поверхности покрытия.

Практическая значимость работы состоит в следующем.

1. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм защитного слоя путем нанесения и последующей термообработки двухслойного А1/А120з газопламенного покрытия.

2. Показано, что средняя стойкость фурм с двухслойным А1/А12Оз газопламенным покрытием на всей поверхности, снятых по всем причинам, превысила среднюю стойкость фурм с Al покрытием на наружной поверхности в 1,8 раза.

3. Показано, что Си — А1 диффузионный слой, полученный из АУА^Оз покрытия, на всей поверхности фурмы дает снижение тепловых потерь на 3,2−9,4% по сравнению с Си — А1 диффузионным слоем, полученным из А1 покрытия, на наружной поверхности. При этом снижение расхода кокса составило 0,28−0,31 кг/т.

Данная диссертация является составной частью комплекса научно-исследовательских работ, выполненных в национальном исследовательском технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» на кафедре Технологии и оборудования трубного производства в соответствии с рабочим планом и планом хоздоговорной работы.

Основные результаты и положения диссертации доложены на 6-ой региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов, посвященной 80-летию МИСиС (Старый Оскол, 2010 г.) — межрегиональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Наука и производство Урала 2010» (Новотроицк, 2010 г.) — расширенном научном семинаре кафедры Технологии и оборудования трубного производства НИТУ «МИСиС» (Москва, 2010 г.).

Основное содержание работы отражено в 5 опубликованных работах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложения. Она изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 25 таблиц. Библиографический список включает 67 наименований.

Основные результаты и выводы.

1. Предложен новый вид защитного покрытия на воздушных фурмах доменных печей, состоящего из переходного и диффузионного слоев толщиной 1,5−3,5 мм с содержанием алюминия не более 14% по массе и слоя оксида алюминия и разработан научно обоснованный способ формирования такого покрытия газопламенным напылением на медь композиционного двухслойного А1/АЬ0з покрытия толщиной 0,6−1,0/0,2−0,3 мм с последующим диффузионным отжигом в окислительной среде при температуре 780−800°С или в защитной среде при температуре 900−980°С.

2. Показано, что Си—А1 диффузионный слой в системе «медь — газопламенное покрытие, содержащее смеси А1 и АЬОз» образуется при диффузионном отжиге относительно первоначальной границы «медь — покрытие» со стороны покрытия, а А12Оз не участвует в диффузии и вытесняется к поверхности покрытия, что подтверждается результатами рентгеноспектраль-ного микроанализа, согласно которому содержание алюминия на большей части диффузионного слоя не зависит от состава покрытия и отличается только у его поверхности.

3. Установлено, что в результате напыления на медь двухслойного газопламенного покрытия АУАЬОз и последующего диффузионного отжига при температуре 800 °C в окислительной среде образуется диффузионный слой, который по сравнению с диффузионным слоем, полученным из алюминиевого покрытия, имеет: толщину на 25—40% больше, коэффициент теплопроводности на 15% меньше, тепловое сопротивление на 45−60% больше, износостойкость и жаростойкость на 25−35% больше, а в случае напыления смесей А1203: А1=1:1, 1:2, 1:3, 1:4 по объемутолщину не больше, коэффициент теплопроводности на 10—50% меньше, тепловое сопротивление на 10— 30% больше.

4. Предложена методика расчета толщины диффузионного слоя, основанная на использовании экспериментально определенного параметра, пропорционального коэффициенту диффузии алюминия в медь для системы «медная основа — двухслойное А1/А120з газопламенное покрытие».

5. Показано, что средняя стойкость фурм с двухслойным А1/А12Оз газопламенным покрытием на всей поверхности, снятых по всем причинам, превысила среднюю стойкость фурм с алюминиевым покрытием на наружной поверхности в 1,8 раза. При этом тепловые потери через поверхность фурм уменьшаются по расчетным данным на 3,9%, а по результатам измерений на 3,2−9,4%, что обеспечивает снижение расхода кокса 0,28−0,31 кг на тонну выплавляемого чугуна.

6. Разработана технология создания на поверхности воздушных фурм защитного слоя путем нанесения и последующей термообработки двухслойного А1/А1203 газопламенного покрытия. Технология прошла промышленную проверку на ОАО «НЛМК» и рекомендована для внедрения в производство.